トポロジーでひも解くアモルファスの硬さが決まるメカニズム~柔らかさの鍵は階層構造~

2025-09-25 大阪大学

大阪大学・産総研・岡山大学・東京大学の研究グループは、ガラスなどアモルファス材料の「柔らかさ」を決める構造的要因をトポロジーの手法で解明した。アモルファスでは局所的に不均一な変位(非アフィン変形)が起こるが、その領域にどのような構造的特徴があるかは不明だった。研究チームはトポロジカルデータ解析の一種「パーシステントホモロジー」を用いてアモルファスシリコンを解析し、非アフィン変形が大きい箇所は、大きな環の中に乱れた小さな環が入り込む入れ子状の階層構造を持つことを発見。規則性と乱れの共存が柔らかさの鍵であると示した。この構造は低周波振動「ボゾンピーク」とも関係し、アモルファス特有の力学・熱的性質を説明する手がかりとなる。成果は割れにくくしなやかなアモルファス材料設計の指針になると期待され、Nature Communications に発表された。

トポロジーでひも解くアモルファスの硬さが決まるメカニズム~柔らかさの鍵は階層構造~
図1 本研究成果のまとめ。アモルファスシリコンの構造から得られたパーシステンス図と、その中の各点に対応する構造の例、および非アフィン変形が大きい原子を含む構造の代表例

<関連情報>

持続的相同性は共有結合性非晶質固体の機械的性質に関与する階層構造を解明する Persistent homology elucidates hierarchical structures responsible for mechanical properties in covalent amorphous solids

Emi Minamitani,Takenobu Nakamura,Ippei Obayashi & Hideyuki Mizuno
Nature Communications  Published:25 September 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-63424-z

Abstract

Understanding how atomic-level structures govern the mechanical properties of amorphous materials remains a fundamental challenge in solid-state physics. Under mechanical loading, amorphous materials exhibit simple affine and spatially inhomogeneous nonaffine displacements that contribute to the elastic modulus through the Born (affine) and nonaffine terms, respectively. The differences between soft local structures characterized by small Born terms or large nonaffine displacements have yet to be elucidated. This challenge is particularly complex in covalent amorphous materials such as silicon, where the medium-range order (MRO) plays a crucial role in the network structure. To address these issues, we combined molecular dynamics simulations with persistent homology analysis. Our results reveal that local structures with small Born terms are governed by short-range characteristics, whereas those with large nonaffine displacements exhibit hierarchical structures in which short-range disorder is embedded within the MRO. These hierarchical structures are also strongly correlated with low-energy localized vibrational excitations. Our findings demonstrate that the mechanical responses and dynamic properties of covalent amorphous materials are intrinsically linked to the MRO, providing a framework for understanding and tailoring their properties.

0703金属材料
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました